Tính toán các thông số động học từ phổ nhiệt huỳnh quang của mẫu bột ớt chiếu xạ

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM<br /> <br /> Nguyễn Duy Sang<br /> <br /> _____________________________________________________________________________________________________________<br /> <br /> TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC<br /> TỪ PHỔ NHIỆT HUỲNH QUANG CỦA MẪU BỘT ỚT CHIẾU XẠ<br /> NGUYỄN DUY SANG*<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Phổ nhiệt huỳnh quang thu được từ mẫu bột ớt đã chiếu xạ là một đường cong phức<br /> tạp tuân theo mô hình động học bậc tổng quát. Các đỉnh phổ được xử lí theo phương pháp<br /> “Glow Curve Deconvolution” (GCD) và “Peak Shape” (PS) để tính toán các thông số<br /> động học như: độ sâu bẫy (E), bậc động học (b) và tần số electron thoát khỏi bẫy (s). Bài<br /> báo đã trình bày một số kết quả ban đầu về sự phụ thuộc các thông số trên vào liều chiếu<br /> và thời gian bảo quản. Phương pháp có thể sử dụng để nghiên cứu các mẫu thực phẩm<br /> khác và sử dụng để xác định liều chiếu các thực phẩm chiếu xạ.<br /> Từ khóa: nhiệt huỳnh quang, thông số động học,thực phẩm chiếu xạ.<br /> ABSTRACT<br /> <br /> Calculation of kinetic parameters from thermoluminescence glow curves<br /> of irradiated chili powder samples<br /> Thermoluminescence glow curves obtained from irradiated chili powder samples are<br /> complex curves following general order kinetic model. The spectrum peaks are handled by<br /> the method of "Glow Curve Deconvolution" (GCD) and "Peak Shape" (PS) to calculate<br /> kinetic parameters such as thetrap depth (E), the order of kinetic (b) and the frequency<br /> factor (s). The article represents some first results of mentioned parameters dependence on<br /> irradiated dose and storage time. Mentioned method could be used for studying other types<br /> of irradiated food and for determining their irradiated doses.<br /> Keywords: thermoluminescence, kinetic parameters, irradiated food.<br /> <br /> 1.<br /> <br /> Giới thiệu<br /> Phổ nhiệt huỳnh quang (TL) thu được từ thiết bị đọc nhiệt phát quang (TLD) dựa<br /> trên sự phát sáng của các khoáng chất được tách ra khỏi thực phẩm, gia vị khi bị kích<br /> thích nhiệt [1]. Việc khảo sát tổng quan và ứng dụng phương pháp nhiệt huỳnh quang<br /> trong thực phẩm chiếu xạ với mẫu là bột ớt đã được nghiên cứu trong [2]. Mục đích<br /> của việc xác định các thông số động học nhiệt huỳnh quang hoặc khảo sát hiện tượng<br /> nhiệt huỳnh quang ở các mẫu thực phẩm chiếu xạ nhằm xác định liều chiếu tương ứng<br /> với các mức thông số động học và sự thay đổi của các thông số này theo thời gian bảo<br /> quản mẫu. Có nhiều phương pháp để tính toán các thông số động học từ việc xử lí phổ<br /> nhiệt huỳnh quang như gia tăng ban đầu (IR), toàn bộ diện tích (WGP), đỉnh phổ (PS),<br /> <br /> *<br /> <br /> ThS, Trường Đại học Cần Thơ; Email: ndsang@ctu.edu.vn<br /> <br /> 31<br /> <br /> Số 12(90) năm 2016<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM<br /> <br /> _____________________________________________________________________________________________________________<br /> <br /> làm khớp (GCD), tách đỉnh (CGCD). Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng phần mềm<br /> Origin để xử lí phổ TL thực nghiệm và dùng phương pháp GCD và PS để tính toán các<br /> thông số động học của phổ. Phần mềm Origin là công cụ xử lí số liệu rất tiện dụng<br /> được nhiều người sử dụng đặc biệt trong xử lí phổ và phân tích dữ liệu.<br /> Từ việc phân tích phổ TL của mẫu bột ớt, các thông số động học của phổ như độ<br /> sâu bẫy, bậc động học, tần số thoát electron từ bẫy của phổ đã được xác định. Các<br /> thông số này của mẫu theo thời gian cũng được tính toán và so sánh nhằm đánh giá<br /> được sự phụ thuộc của các thông số động học vào thời gian bảo quản mẫu. Có thể áp<br /> dụng phần mềm Origin cùng phương pháp GCD và PS cho phân tích phổ TL của các<br /> mẫu thực phẩm khác ứng dụng trong xác định thực phẩm chiếu xạ, các đặc trưng, tính<br /> chất của mẫu, định tuổi cho cổ vật.<br /> 2.<br /> <br /> Vật liệu và phương pháp nghiên cứu<br /> <br /> 2.1. Số liệu thực nghiệm<br /> Phổ nhiệt huỳnh quang của mẫu bột ớt là phổ của khoáng chất silicat được tách ra<br /> từ bột ớt. Việc phân tích và tách khoáng silicat được thực hiện theo đúng quy trình tách<br /> khoáng theo tiêu chuẩn quốc tế về đo phổ nhiệt huỳnh quang của thực phẩm có thể tách<br /> khoáng silicat [7]. Khoáng chất silicat tách ra từ bột ớt được kiểm tra bằng phương<br /> pháp XRD [2]. Các số liệu về phổ TL lấy từ việc đo mẫu bột ớt trên thiết bị Rexon UL320 được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm An toàn bức xạ thuộc Viện nghiên cứu Hạt<br /> nhân Đà Lạt. Mẫu bột ớt sau khi chiếu xạ được bảo quản cẩn thận trước khi đo phổ TL.<br /> Thời gian bảo quản mẫu cho hai lần đo là 15 ngày và 30 ngày sau khi chiếu xạ.<br /> 2.2. Phương pháp nghiên cứu<br /> 2.2.1. Phương pháp GCD<br /> Phương pháp làm khớp đường cong trong phân tích phổ thực nghiệm với sự hỗ<br /> trợ của máy tính bằng phương pháp GCD đã trở nên phổ biến trong suốt hơn hai thập kỉ<br /> qua [5, 8, 11]. Đường cong TL là loại đường cong có hình dạng phức tạp tuân theo các<br /> phương trình động học bậc nhất (1), bậc hai (2) hoặc bậc tổng quát (3). Hai giá trị đo<br /> được từ thực nghiệm là cường độ TL cực đại IM và nhiệt độ cực đại TM được cho bởi<br /> các phương trình động học:<br /> (i) Bậc nhất:<br /> ( )=<br /> <br /> 1+<br /> <br /> −<br /> <br /> ×<br /> <br /> 1−<br /> <br /> −<br /> <br /> (1)<br /> <br /> (ii) Bậc hai:<br /> ( )=4<br /> (iii) Bậc tổng quát:<br /> <br /> 32<br /> <br /> 1−<br /> <br /> +1+<br /> <br /> (2)<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM<br /> <br /> Nguyễn Duy Sang<br /> <br /> _____________________________________________________________________________________________________________<br /> <br /> ( )=<br /> <br /> ( − 1)<br /> <br /> 1−<br /> <br /> ( − 1)<br /> <br /> +1+<br /> (3)<br /> <br /> Việc tính toán cần xác định tham số FOM cho bởi (4)<br /> =<br /> <br /> ∑<br /> <br /> (4)<br /> <br /> ∑<br /> <br /> trong đó, yexp và yfit là dữ liệu thực nghiệm và lí thuyết của hàm làm khớp.<br /> 2.2.2. Phương pháp PS<br /> Phương pháp PS còn có tên là Chen [4] là phương pháp được sử dụng để xác định<br /> các thông số động học của phổ TL. Phương pháp này dựa trên nhiệt độ cực đại T M,<br /> nhiệt độ ban đầu T1 và nhiệt độ cuối T2. Hai giá trị T1 và T2 là nhiệt độ được lấy ở một<br /> nửa cường độ cực đại (Hình 1), dựa vào hình dạng phổ có sự tăng hoặc giảm quanh<br /> đỉnh phổ mà theo Chen ta có thể xác định được các thông số động học<br /> <br /> Hình 1. Mô tả phương pháp PS<br /> =<br /> <br /> −<br /> <br /> (2<br /> <br /> )<br /> <br /> (5)<br /> <br /> trong đó, α tương ứng thay cho τ, δ, và ω; quãng nhiệt độ đầu của bề rộng nửa đỉnh τ =<br /> TM - T1, quãng nhiệt độ sau của bề rộng nửa đỉnh δ = T2 - TM và quãng nhiệt độ giữa ω<br /> = T2 - T1. Các giá trị của cα và b α được xác định như trong (6)<br /> = 1.51 + 3.0(<br /> <br /> − 0.42)<br /> <br /> = 1.58 + 4.2(<br /> <br /> − 0.42)<br /> <br /> = 0.976 + 7.3(<br /> <br /> − 0.42)<br /> <br /> =0<br /> = 2.52 + 10.2(<br /> <br /> − 0.42)<br /> 33<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM<br /> <br /> Số 12(90) năm 2016<br /> <br /> _____________________________________________________________________________________________________________<br /> <br /> =1<br /> =<br /> <br /> =(<br /> <br /> −<br /> <br /> )/(<br /> <br /> −<br /> <br /> )<br /> <br /> (6)<br /> <br /> trong đó, μg gọi là thông số hình học đặc trưng cho tính đối xứng để xác định bậc động<br /> học cho phổ TL. Bậc động học dựa trên dạng đỉnh phổ. Giá trị tương ứng của μg cho<br /> bậc động học bậc nhất và bậc hai là 0.42 và 0.52. Đỉnh phổ TL tương ứng với phương<br /> trình động học bậc hai thì phổ có dạng đối xứng, trong khi đỉnh phổ ứng với phương<br /> trình động học bậc nhất hơi lệch về một bên. [10]<br /> Giá trị của tần số thoát electron khỏi bẫy được tính theo phương trình (7):<br /> =<br /> <br /> 1 + ( − 1)<br /> <br /> (7)<br /> <br /> trong đó, β là tốc độ gia nhiệt, b là bậc động học.<br /> Ngoài ra, Balarin[3] còn đưa ra hệ số γ theo phương trình (8):<br /> =<br /> <br /> =(<br /> <br /> −<br /> <br /> )/(<br /> <br /> −<br /> <br /> )<br /> <br /> (8)<br /> <br /> trong đó, γ = 0.7 – 0.8 tương ứng với phương trình động học bậc nhất và = 1.05 – 1.20<br /> tương ứng với phương trình động học bậc hai. Các giá trị khác của γ tương ứng với<br /> phương trình động học bậc tổng quát.<br /> 3.<br /> <br /> Kết quả và thảo luận<br /> <br /> Đường cong TL nhận được từ mẫu bột ớt chiếu xạ với liều gamma 8 kGy bảo<br /> quản ở 360 h sau chiếu xạ cho đỉnh có nhiệt độ cực đại ở 473 K và bảo quản ở 720 h<br /> sau chiếu xạ cho đỉnh có nhiệt độ cực đại ở 471 K (Hình 2)<br /> <br /> Hình 2. Làm khớp phổ của mẫu được chiếu xạ 8 kGy bảo quản ở 720 h<br /> bằng phương pháp GCD<br /> <br /> 34<br /> <br /> Nguyễn Duy Sang<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM<br /> <br /> _____________________________________________________________________________________________________________<br /> <br /> Dựa vào độ cao của đỉnh phổ có thể thấy cường độ đỉnh cực đại giảm đáng kể sau<br /> thời gian dài bảo quản (Hình 3) do hiệu ứng fading (hiệu ứng mà cường độ đỉnh phổ<br /> giảm theo thời gian bảo quản).<br /> <br /> Hình 3. Phổ TL của mẫu bột ớt được chiếu xạ 8 kGy bảo quản sau 360 h và 720 h<br /> Kết quả chỉ ra rằng mẫu sau khi làm khớp phổ các thông số động học tuân theo<br /> phương trình động học bậc tổng quát. Các thông số E, b và s được tính toán dựa trên<br /> việc làm khớp phổ theo phương pháp GCD được cho bởi Bảng 1. Các kết quả cho thấy<br /> sau thời gian bảo quản, các thông số động học đều tăng lên. Giá trị E của mẫu bảo quản<br /> ở 360 h là 0.956 so với giá trị E của mẫu bảo quản ở 720 h là 0.9991. Giá trị s của mẫu<br /> bảo quản ở 360 h là 3.89 x 10 9 so với giá trị s của mẫu bảo quản ở 720 h là 10.1 x 109.<br /> Giá trị b của mẫu bảo quản ở 360 h là 1.59 so với giá trị b của mẫu bảo quản ở 720 h là<br /> 1.61. Giá trị làm khớp FOM của mẫu bảo quản ở 360 h là 3.46 tốt hơn so với giá trị<br /> FOM của mẫu bảo quản ở 720 h là 3.57.<br /> Bảng 1. Các thông số động học của mẫu bột ớt chiếu xạ 8 kGy<br /> được tính bằng phương pháp GCD<br /> Thời gian<br /> bảo quản<br /> <br /> TM (K)<br /> <br /> E (eV)<br /> <br /> s (s-1)<br /> <br /> b<br /> <br /> FOM<br /> <br /> 360 h<br /> <br /> 473<br /> <br /> 0.956<br /> <br /> 3.89 x 10 9<br /> <br /> 1.59<br /> <br /> 3.46<br /> <br /> 720 h<br /> <br /> 471<br /> <br /> 0.991<br /> <br /> 10.1 x 10 9<br /> <br /> 1.61<br /> <br /> 3.57<br /> <br /> 35<br /> <br />